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Zementproduktion gehört weltweit zu den emissionsintensivsten Industrieprozessen. Eine Studie der ETH Zürich zeigt, wie sich bestehende Produktionsanlagen so umrüsten lassen, dass sie der Atmosphäre per Saldo mehr CO₂ entziehen, als sie ausstoßen. Grundlage ist das sogenannte Kalzium-Looping-Verfahren zur direkten Luftabscheidung von CO₂, auf Englisch Direct Air Capture, kurz DAC.
Dieselbe Chemie, zwei Anwendungen
Zementwerke und DAC-Anlagen auf Kalzium-Looping-Basis nutzen denselben Rohstoff: Kalkstein, chemisch Kalziumkarbonat. Beide erhitzen diesen Stein, bis er in Branntkalk und CO₂ zerfällt. Dieser Vorgang heißt Kalzinierung. Die Idee der ETH-Forscher um Professor André Bardow besteht darin, beide Prozesse zu einem integrierten System zu verbinden.
Der Ofen wird in der integrierten Anlage elektrisch betrieben, nicht mit fossilen Brennstoffen. Das eliminiert die Verbrennungsemissionen. Das CO₂ aus der Kalzinierung fällt dabei in konzentrierter Form an, ist nicht durch Abgase verunreinigt und lässt sich direkt abscheiden und geologisch speichern.
Der Kreislauf macht die Differenz
Nach der Kalzinierung entsteht Branntkalk. Wird Wasser zugefügt, bildet sich gelöschter Kalk. Dieser nimmt CO₂ aus der Umgebungsluft auf und wird wieder zu Kalkstein. Diesen Kreislauf können die Betreiber mehrfach wiederholen, bevor das Material zu Zement weiterverarbeitet wird. Je mehr Durchläufe, desto mehr atmosphärisches CO₂ wird gebunden. Die Gesamtbilanz der Anlage kann dadurch negativ werden: Sie entfernt mehr CO₂, als die gesamte Prozesskette erzeugt.
Das abgeschiedene CO₂ wird nicht im Zement eingeschlossen. Es wird verdichtet und in unterirdische Lagerstätten transportiert.
Lebenszyklusanalyse im industriellen Maßstab
Die Studie ist nach Angaben der Forscher die erste vorausschauende Lebenszyklusanalyse für Kalzium-Looping-DAC im kommerziellen Maßstab. Die Wissenschaftler haben nicht nur den laufenden Betrieb bewertet, sondern die gesamte Prozesskette: Rohstoffgewinnung, Anlagenbau, Betrieb und CO₂-Speicherung. Sie haben außerdem geprüft, ob die Emissionsminderung andere Umweltfaktoren belastet, etwa den Wasser- oder Landverbrauch.
Der größte Anteil am Umweltfußabdruck entfällt auf die Energie. Das Verfahren ist energieintensiv, wie alle DAC-Technologien. Die Forscher testeten deshalb drei Szenarien: Betrieb mit dem aktuellen US-Strommix, mit einem stark dekarbonisierten Wind- und Solarstromsystem sowie mit einem vollständig autarken Photovoltaik-und-Batterie-System.
Effizienz zwischen 85 und 96 Prozent
Die Klimabilanz ist in allen drei Szenarien netto negativ. Pro Tonne abgeschiedenem und gespeichertem CO₂ entstehen in der Prozesskette 40 bis 150 Kilogramm CO₂. Die Effizienz der CO₂-Entnahme liegt damit bis 2050 bei 85 bis 96 Prozent, abhängig vom eingesetzten Energiemix. Die höchste Effizienz wird mit erneuerbarer Energie erreicht. Laut Studie sind diese Werte vergleichbar mit anderen DAC-Verfahren.
Allein durch die Elektrifizierung des Ofens und die direkte Abscheidung des Kalzinierungsgases könnten Zementwerke ihre Klimawirkung bis 2050 um 78 Prozent senken. Das ist die Basisvariante, ohne mehrfache Kreisläufe des Kalks.
Was das für die Branche bedeutet
Die Zementindustrie steht unter erheblichem Dekarbonisierungsdruck. Scope-3-Emissionen, also die indirekten Emissionen in der Lieferkette eines Unternehmens, die auch Baumaterialien einschließen, geraten bei Bauherren und Investoren verstärkt in den Fokus. Ein Ansatz, der auf vorhandenen Rohstoffen und bekannten Prozessen basiert, hat gegenüber völlig neuen Technologien einen Vorteil: Die Integrationshürden in bestehende Werke sind niedriger.
Heirloom Carbon Technologies aus den USA, mit dem die ETH-Gruppe zusammengearbeitet hat, gehört zu den kommerziellen Pionieren des Kalzium-Looping-DAC. Mit der vollständigen Lebenszyklusbilanz für kommerzielle Anlagen dieser Technologie liefert die Studie eine breitere Grundlage für Investitions- und Genehmigungsentscheidungen.
Fazit
Die ETH-Studie liefert Zahlen für einen Ansatz, der die Zementproduktion vom Emittenten zur CO₂-Senke machen kann. Voraussetzung ist der Zugang zu erneuerbarem Strom. Ohne ihn ist das Potenzial erheblich eingeschränkt. Für Unternehmen, die Zement beziehen oder produzieren, könnte die Technologie zu einem rechenbaren Faktor in der Klimastrategie werden.
